CN111203467A - 一种金属管材热态气体胀形与快冷强化***及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属管材热态气体胀形与快冷强化***，包括液压机、模具组件、快速加热模块和快速冷却模块，所述模具组件包含级进式模具，能够实现工件的热态气体胀形和快速冷却。本发明还提供了一种金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺。本发明具有如下优点：1、采用无涂层板制管，比起涂层、镀层金属板制管的成本低，且组织缺陷和工艺风险少；2、采用级进式模具，电阻加热工序和热气胀+淬火工序同时并行实现，级进式进料，因而节拍快，效率大幅提升；3、零件加热状态全程防护，防氧化，不需要涂层，工件成形后不需要喷丸就可以直接焊装到车身上，大大节省成本；4、采用定向破坏的安全保护措施，安全性提高。

Description

一种金属管材热态气体胀形与快冷强化***及工艺
技术领域
本发明属于金属塑性加工技术领域，具体涉及一种金属管材热态气体胀形与快冷强化***及工艺。
背景技术
当前汽车制造的潮流无疑在向着更大的减重目标转变，以最终实现更显著的节能和减少排放。轻量化是实现传统汽车节能减排，并解决当前新能源汽车续航里程不足问题的重要途径之一。
超高强度钢、高强铝合金、高强镁合金等材料是构成轻量化汽车车身的关键材料，该类材料成形过程中都存在塑性低、回弹大、易破裂的问题，传统工艺难以解决其高品质精确成形问题。金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺(HMGF&Q,Hot Metal Gas Forming&Quenching)为车身结构工程师提供了一种加工超高强度钢、高强铝合金等材料的全新途径，该工艺充分结合液压成形、吹塑成形和模压淬火强化成形(Press Hardening)等工艺的优点，通过快速加热使材料在高温下成形，并迅速同步完成模内淬火强化，改善成形性能的同时提高了成形质量和效率，特别适用于汽车A柱、B柱、防撞梁、扭力梁等高刚度封闭截面空间框架结构的制造，将车身轻量化水平和结构强度提升到全新的水平。
现有研究成果表明了HMGF&Q成形工艺可以将高强钢管材内压成形产品的强度从800MPa提升到1500MPa左右，工艺路线可行，应用前景良好，但目前现有技术中，大多没有抗氧化气体防护装置，导致如下工艺问题需要进一步解决：①连续炉加热成本高，需要采用有铝硅涂层等防护涂层的钢板制管，成本高、焊接夹杂影响成形产品质量。管材在连续炉气体保护氛围内加热和保温***的高能耗也让***能耗增加，防腐涂层板制管难题也使得成本增加；②采用无涂层板制管、电阻自发热方式加热，产品加热后机器人转运到模具内，则存在转运过程中遇空气氧化、生产节拍慢的缺点；③超高压气压、高温加热设备安全问题没有得到可靠解决；④在热气胀+淬火成形工位上先进行电阻加热再气胀成形淬火的方式，则存在工序串联、加工时间长、产品表面氧化等问题。这些问题在导致设备***危险、高能耗、高成本的同时也让车间工作环境变得更热、噪音更大，最终该技术难以普及。
针对现有技术存在的不足，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种金属管材热态气体胀形与快冷强化***，包括液压机、模具组件、快速加热模块、快速冷却模块和控制***，所述模具组件、快速加热模块和快速冷却模都设置在液压机上或液压机周围；所述模具组件包含级进式模具，能够实现工件的热态气体胀形和快速冷却。
进一步地，所述模具组件包括核心部件和自动上下料模块，自动上下料模块设置在核心部件的两侧，为核心部件提供工件的上料和下料作业；所述核心部件包括下模底板、下模模座、下模镶块、上模顶板、上模模座、上模镶块、级进式模具、侧推密封油缸模块和电极压紧气缸模块，在所述下模底板上依照上下空间顺序依次设置所述下模模座、下模镶块、级进式模具、上模镶块、上模模座和上模顶板，所述级进式模具包含有加热工位和热气胀及淬火工位。该模具组件将热气胀+淬火成形工位组合在一起，极大地缩短了加工时间，也避免了产品表面氧化的问题。
进一步地，所述级进式模具包括进给底板、进给模块和进给托板，所述进给模块驱动所述进给底板左右平移，也驱动所述进给托板进行上下升降运动；所述进给模块包括级进模驱动器、级进模驱动导向条、升降液压缸、旋转压紧气缸和可旋转压板，所述进给托板上设置有多个容纳工件端部的模腔，还设置有多个容纳旋转压紧气缸的孔槽。
可选地，所述快速加热模块包括直流电源和导电夹持块。对应零件两端不需要加热的情况。
可选地，所述快速加热模块包括直流电源、导电压紧块、绝缘夹持块和电极压紧气缸。对应零件两端需要加热的情况。
进一步地，所述快速冷却模块包括上模进水道、上模环向冷却水道、上模出水道，还包括下模进水道、下模环向冷却水道、下模出水道，所述上模环向冷却水道由上模镶块和模具嵌块之间形成的空隙构成；所述下模环向冷却水道由下模镶块和模具嵌块之间形成的空隙构成。
进一步地，还包括安全防护与密封模块，所述模具组件(200)的工作区域被设置在安全防护与密封模块(500)形成的正压空间内。
进一步地，所述安全防护与密封模块包括上料过渡密封气室、安全防护与密封仓、下料过渡密封气室，上料过渡密封气室和下料过渡密封气室设置在安全防护与密封仓的两侧，所述安全防护与密封仓将模具组件包覆在内，形成正压密封环境。
进一步地，在所述安全防护与密封仓上设置有泄压孔。
进一步地，在所述安全防护与密封仓上开设泄压孔的地方的内侧壁上贴有泄压膜，并采用紧固件进行固定。
进一步地，还包括控制***，所述控制***分别控制所述液压机、模具组件、快速加热模块和快速冷却模块的动作。
进一步地，还包括超高压气体循环控制模块，其包括氮气罐组合、第一双向增压器、高压储气罐、充气阀、气体冷却器、快速增压油缸、低压储气罐和第二双向增压器，所述第一双向增压器分别与氮气罐组合、高压储气罐和第二双向增压器相连，所述高压储气罐与充气阀相连；所述气体冷却器与快速增压油缸相连，所述快速增压油缸与低压储气罐相连，所述低压储气罐与第二双向增压器相连。
本发明的目的之一是提供一种封闭式金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺，包括如下的步骤：
1)将金属管工件经由自动上下料模块送入热气胀成形机内的模具组件的模具中，在加热工位由快速加热模块的直流电源进行快速加热；
2)加热后的工件进入热气胀及淬火工位，先进行热气胀作业，接着进行淬火作业；
3)将工件通过自动上下料模块从模具中取出。
可选地，当金属为钛时，省略所述步骤2)中的淬火作业。
可选地，在所述模具组件的模具中通入氮气、二氧化碳或者惰性气体，对加热中的工件进行防氧化保护。
进一步地，所述模具组件的模具为级进式模具。
进一步地，所述模具组件设置在由安全防护与密封模块产生的密封环境中。
可选地，所述步骤2)和步骤3)中间还有一个保温步骤，淬火后的工件进入出料保温工位，保温预定时间。
可选地，热态气体胀形可以由液体胀形取代，工件内部充入高压液体，完成工件的胀形。
进一步地，在所述模具组件上完成工件的加热、气胀、快冷强化和保温作业。
本发明的有益效果：1、采用无涂层板制管，比起涂层、镀层钢板制管的成本低，且组织缺陷少；2、采用级进式模具，电阻加热工序和热气胀+淬火工序同时并行实现，级进式进料，因而节拍快，效率大幅提升。3、零件加热状态全程防护，防氧化，不需要涂层，工件成形后不需要喷丸就可以直接焊装到车身上，大大节省成本。4、采用定向破坏的安全保护措施，安全性提高。
附图说明
图1是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的结构示意图。
图2是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的液压机结构示意图。
图3是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的模具组件结构剖面示意图，其中的物料流向是从右向左。
图4是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的模具组件俯视结构示意图。
图5是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的模具组件侧视结构示意图。
图6是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的模具组件前视结构剖面示意图。
图7是图6的局部放大示意图。
图8是图6的局部俯视示意图和侧视示意图。
图9是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的模具组件中的摆渡小车的结构示意图。
图10是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的模具组件中的翻转机械手结构示意图。
图11是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的的快速加热模块结构示意图。
图12是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***另一种实施例的的快速加热模块结构示意图。
图13是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的快速冷却模块在使用过程中的截面结构示意图。
图14是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的快速冷却模块的环向冷却水道的结构示意图，其中图14(a)为横截面示意图，图14(b)为纵截面示意图。
图15是图14(b)中的上模镶块的截面示意图。
图16是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的安全防护与密封模块在使用时的结构示意图。
图17是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的安全防护与密封模块的过渡密封气室的结构与动作示意图，从左往右看，为下料过渡密封气室的出料过程，从右往左看，为上料过渡密封气室的上料过程。
图18是本发明金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的安全防护与密封模块的泄压孔处的结构示意图。
图19是本发明封闭式金属管材热态气体胀形与快冷强化***一种实施例的超高压气体循环控制模块结构示意图。
其中，100-液压机，110-下梁，120-移动工作台，130-拉杆，140-立柱，150-上梁，160-主油缸，161-活塞杆，170-模具法兰，180-法兰导向杆，190-滑块，191-转接杆，2A-上料工位，2B-加热工位，2C-热气胀及淬火工位，2D-出料保温工位，200-模具组件，201-摆渡上料小车，202-摆渡下料小车，2021-直线驱动器，2022-上顶气缸，2023-托板，2024-工件卡板，203-摆渡上料翻转机械手，204-摆渡下料翻转机械手，2041-直线驱动器，2042-旋转驱动器，2043-旋转机械臂，2044-夹紧抓手，210-下模底板，211-导轨，220-下模模座，230-下模镶块，240-上模顶板，250-上模模座，260-上模镶块，261-深槽，270-级进式模具，271-进给底板，272-进给模块，2721-级进模驱动器，27211-驱动电机、27212-减速器、27213-齿轮，27214-齿条，2722-级进模驱动导向条，2723-升降液压缸，2724-旋转压紧气缸，2725-可旋转压板，273-进给托板，2731-模腔，2732-孔槽，2733-导柱，280-侧推密封油缸模块，281-侧推密封油缸，282-侧推密封封头，290-电极压紧气缸模块，300-快速加热模块，310-直流电源，320-导电夹持块，330-导电压紧块，340-绝缘夹紧块，350-电极压紧气缸，400-快速冷却模块，410-上模进水道、420-上模环向冷却水道，430-上模出水道，440-下模进水口，450-下模环向冷却水道，460-下模出水道，470-模具嵌块，500-安全防护与密封模块，510-上料过渡密封气室，520-安全防护与密封仓，521-泄压孔，522-泄压膜，523-密封仓侧壁，524-第三密封圈，525-紧固件，530-下料过渡密封气室，531-上盖板，5311-凸缘，532-第一密封圈，533-第二密封圈，540-密封孔，600-总控制***，700-超高压气体循环控制模块，701-单向阀，710-氮气罐组合，720-第一双向增压器，730-高压储气罐，740-充气阀，750-气体冷却器，760-快速增压油缸，770-低压储气罐，780-第二双向增压器，790-低压气缸腔体，D-距离，W-工件。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明进行进一步地说明。
如图1所述，一种金属管材热态气体胀形与快冷强化***，包括液压机100、模具组件200、快速加热模块300和快速冷却模块400，模具组件200、快速加热模块300和快速冷却模块400都设置在液压机100上或液压机100周围，模具组件200包含级进式模具270，能够实现工件W的热态气体胀形和快速冷却。该***还包括安全防护与密封模块500、控制***600和超高压气体循环控制模块，模具组件200的工作区域被设置在安全防护与密封模块500形成的正压空间内；控制***600分别控制液压机100、模具组件200、快速加热模块300和快速冷却模块400的动作，超高压气体循环控制模块700为模具组件200提供工件W气体胀形用的高压气体。
液压机100可选有滑块的液压机(如图1所示)，包括下梁110、移动工作台120、拉杆130、立柱140、上梁150、主油缸160、模具法兰170和滑块190，下梁110与上梁150通过立柱140分隔出容纳移动工作台120、模具法兰170和滑块190的空间，下梁110、立柱140和上梁150通过拉杆130进行紧固；移动工作台120设置在下梁110上，主油缸160设置在上梁150上，主油缸160的活塞杆161下端与滑块190连接，滑块190下端通过连接杆191与模具法兰170连接。
模具法兰170的下平面设置有T型槽结构，用于与模具上模顶板240连接。法兰导向杆180以植入式方式固定在模具法兰170上部的四个边角处，以确保导向刚度和精度。法兰导向杆180的导套安装在液压机上梁150内。
如图2所示，液压机100也可选无滑块式的液压机，包括下梁110、移动工作台120、拉杆130、立柱140、上梁150、主油缸160、模具法兰170和法兰导向杆180，下梁110与上梁150通过立柱140分隔出容纳移动工作台120和模具法兰170的空间，下梁110、立柱140和上梁150通过拉杆130进行紧固；移动工作台120设置在下梁110上，主油缸160和法兰导向杆180都设置在上梁150上，主油缸160的活塞杆161下端和法兰导向杆180的下端都与模具法兰170连接。
如图3-10所示，模具组件200包括核心部件和自动上下料模块，自动上下料模块设置在核心部件的两侧，为核心部件提供工件W的上料和下料作业；核心部件包括下模底板210、下模模座220、下模镶块230、上模顶板240、上模模座250、上模镶块260、级进式模具270、侧推密封油缸模块280和电极压紧气缸模块290，下模底板210上依照上下空间顺序依次设置下模模座220、下模镶块230、级进式模具270、上模镶块260、上模模座250和上模顶板240，级进式模具270包含有加热工位2B和热气胀及淬火工位2C。该模具组件200将热气胀与淬火成形两个操作组合在一起，极大地缩短了加工时间，也避免了产品表面氧化的问题。
电极压紧气缸模块290包括电极压紧气缸，侧推密封油缸模块280包括侧推密封油缸281和侧推密封封头282。
如图4-5、8所示，级进式模具270包括进给底板271、进给模块272和进给托板273，进给模块272具有多种驱动功能，既可以驱动进给底板271左右平移，也可以驱动进给托板273进行上下升降运动，还能对工件W进行压紧；具体的，进给模块272包括级进模驱动器2721、级进模驱动导向条2722、升降液压缸2723、旋转压紧气缸2724和可旋转压板2725，进给托板273上设置有多个容纳工件W端部的模腔2731，还设置有多个容纳旋转压紧气缸2724的孔槽2732。每个模腔2731对应于不同的加工工位，例如上料工位2A，加热工位2B，热气胀及淬火工位2C，出料保温工位2D。进给托板273还设置有定位用的导柱2733。升降液压缸2723可以推动进给托板273在多个高度停留，例如最低位置的下限位、中间的合模位和抬升工件级进的上限位。
如图6所示，级进模驱动器2721包括驱动电机27211、减速器27212、齿轮27213和齿条27214，其中驱动电机27211固定设置在下模底板210上，齿轮27213通过减速器27212与驱动电机27211连接，并与齿条27214啮合，齿条27214设置在进给底板271上。形成齿轮齿条传动体系。
如图7所示，级进模驱动导向条2722固定设置在下模底板210上并与下模模座220共同对进给底板271进行平移导向。在级进模驱动导向条2722和下模模座220的共同限制下，进给底板271由齿轮27213、齿条27214形成的齿轮齿条传动体系驱动，在下模底板210上左右平移。
如图3所示，自动上下料模块包括摆渡上料小车201、摆渡下料小车202、摆渡上料翻转机械手203和摆渡下料翻转机械手204，摆渡上料小车201、摆渡上料翻转机械手203、核心部件、摆渡下料翻转机械手204和摆渡下料小车202依照左右空间顺序依次设置在下模底板210上。
如图9所示，摆渡上料小车201和摆渡下料小车202的结构相同，都包含有直线驱动器2021、上顶气缸2022、小车托板2023和工件卡板2024，直线驱动器2021用于驱动小车在下模底板210上沿着导轨211左右移动，上顶气缸2022用于驱动小车托板2023的升降，工件卡板2024设置在小车托板2023上，用于卡住工件W。
如图10所示，摆渡上料翻转机械手203和摆渡下料翻转机械手204的结构相同,都包含有直线驱动器2041、旋转驱动器2042、旋转机械臂2043和夹紧抓手2044，直线驱动器2041用于驱动小车在下模底板210上沿着导轨211左右移动，旋转驱动器2042用于翻转旋转机械臂2043，使得工件W从下往上翻转90度或180度，夹紧抓手2044用于抓取工件W。
如图11所示，对应工件W两端不需要加热的情况，快速加热模块300包括直流电源310和导电夹持块320，两个导电夹持块320分别夹持在工件W的两个端部，线路导通后，直流电源310通过电阻加热的形式对工件除两端外的中间部分进行快速加热。
如图12所示，对应工件W两端需要加热的情况。当工件W两端需要加热时，此时的快速加热模块300包括直流电源310、导电压紧块330、绝缘夹持块340和电极压紧气缸350。两个导电压紧块330分别对顶压紧在工件W的两端，并且每个导电压紧块330都由一个电极压紧气缸350顶压，以使得电极跟工件W的端部紧密接触。工件W的两端由绝缘夹持块340支撑。
如图13所示，快速冷却模块400包括上模进水道410、上模环向冷却水道420、上模出水道430，还包括下模进水道440、下模环向冷却水道450和下模出水道460，它们与工件W之间都分隔有上模镶块260或者下模镶块230。
如图14所示，上模环向冷却水道420由上模镶块260和模具嵌块470之间形成的空隙构成，下模环向冷却水道450由下模镶块230和模具嵌块470之间形成的空隙构成。
如图14和15所示，上模环向冷却水道420和下模环向冷却水道450具有多条，每条上模环向冷却水道420与上模镶块260下表面的距离D相等，每条下模环向冷却水道450与下模镶块230上表面的距离相等，优选的，上模环向冷却水道420和下模环向冷却水道450与工件W的型面距离的大小相同，这样便于均匀冷却。
如图15所示，上模镶块260上铣削出多条平行的深槽261。每条深槽261中填充模具嵌块470，模具嵌块470与上模镶块260之间的空隙构成一条上模环向冷却水道420。
同样地，下模镶块230上也铣削出多条平行的深槽，每条深槽中填充模具嵌块470，每条模具嵌块470与下模镶块230之间的空隙构成一条下模环向冷却水道450。
如图16所示，安全防护与密封模块500包括上料过渡密封气室510、安全防护与密封仓520、下料过渡密封气室530，上料过渡密封气室510和下料过渡密封气室530设置在安全防护与密封仓520的两侧，安全防护与密封模块500将模具组件200包覆在内，形成正压密封环境。安全防护与密封模块500可以为金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺提供正压且密封的环境，避免了产品表面氧化的问题。
安全防护与密封模块500采用厚钢板包在模具组件200的四周和上下两面，安全防护与密封模块500下面安装在液压机移动工作台120上方中间位置，模具下模底板210安装在安全防护与密封模块500下面钢板的上方。
安全防护与密封模块500在厚钢板上开设有密封孔540，密封孔540与液压机100的主缸活塞杆161、模具法兰导向杆180或转接杆191按照气体动密封标准配合，并且密封孔540内安装有气体动密封圈(未示出)。
如图17所示，显示了工件W出入安全防护与密封模块500的状态示意图，从左往右看，为下料过渡密封气室530的出料过程，从右往左看，为上料过渡密封气室510的上料过程。现以从左向右看为例进行说明，工件W在保温工位2D被摆渡下料翻转机械手204夹取到摆渡下料小车202的小车托板2023上，摆渡下料小车202行进到下料过渡密封气室530的正下方，然后升起，使得托板2023抵靠住下料过渡密封气室530的下部，使得二者之间形成紧密接触，防止漏气，然后下料过渡密封气室530的上盖板531抬起，工件W就离开了下料过渡密封气室530，可以被机械手或者被工人取走。为了防止工件W在进出安全防护与密封模块500时出现漏气的情况，在下料过渡密封气室530与小车托板2023接触的地方增加几道密封圈(532,533)。
上料过渡密封气室510与下料过渡密封气室530的结构相同，上料过渡密封气室510由物料入口和上盖板531构成，物料入口设置在安全防护与密封仓520上部；下料过渡密封气室530由物料出口534和上盖板531构成，所述物料出口534设置在安全防护与密封仓520上部；物料入口和物料出口534分别设置在安全防护与密封仓520的两侧，上盖板531能够完全覆盖住物料入口和物料出口534。
上盖板531下部设置有两条平行的凸缘5311，两条凸缘5311之间的距离与物料入口和物料出口534的开口宽度相同。
在物料入口或物料出口534的侧壁上设置有第一密封圈532，用于与运输工件W的工件卡板形成密封配合；在物料入口或物料出口534的上表面设置有第二密封圈533，用于与上盖板531的凸缘5311形成密封配合。
如图18所示，在安全防护与密封仓520上设置有泄压孔521。泄压孔521有多个，可以在安全防护与密封仓520内压力过高时自动爆裂，从而对安全防护与密封仓520进行泄压。
在安全防护与密封仓520上开设有泄压孔521的地方的内侧壁上贴有泄压膜522，并采用紧固件525例如螺钉进行固定。在泄压膜522和安全防护与密封仓520的内侧壁之间设置有第三密封圈524，以防止漏气。当然了，安全防护与密封仓520内还可以设置其他形式的安全装置，例如在其上设置类似于压力锅的压力阀，压力阀顶起时阀可以泄压；或者压力阀中设置有弹簧，当压力超出预定值时顶起弹簧，压力阀进行泄压。
如图19所示，超高压气体循环控制模块700包括氮气罐组合710、第一双向增压器720、高压储气罐730、充气阀740、气体冷却器750、快速增压油缸760、低压储气罐770和第二双向增压器780，第一双向增压器720分别与氮气罐组合710、高压储气罐730和第二双向增压器780相连，高压储气罐730与充气阀740相连；气体冷却器750与快速增压油缸760相连，快速增压油缸760与低压储气罐770相连，低压储气罐770与第二双向增压器780相连。
快速增压油缸760具有低压气缸腔体790，该低压气缸腔体790的进气端与所述气体冷却器750相连，该低压气缸腔体790的出气端与第二双向增压器780通过单向阀701相连。
充气阀740和气体冷却器750的末端都设置有高温电磁阀，用于与工件W腔体的端口紧密相连，从而能够将超高压气体充入到工件W的腔体内，实现高温胀形。
低压气缸腔体790的容积通常比目标工件W的腔体容积大10-100倍，以便充分吸收成形后的高压气体，降低管材工件W内部的残余气体压力，在空间允许的情况下低压气缸腔体790的容积可以更大。
当金属管材气体胀形与快冷强化工艺采用惰性气体或者二氧化碳为保护气体时，可以用惰性气体气罐组合或CO2气罐组合来代替氮气罐组合710。
第一双向增压器720将储气罐组合710内的低压氮气增压至高压储气罐730内，通过充气阀740向被加热的管材工件W内充气，工件W胀形、淬火后，管腔内的气体被加热，高压热气通过气体冷却器750冷却，进而释放到快速增压油缸760的低压气缸腔体790内(初始状态接近真空)。当低压气缸腔体790内的气体压力与管材内部气体压力接近时，气体回收结束，管材工件W内的残留气体在开模后，会释放到安全防护与密封仓520中，可以起到持续补充保护气体环境压力的作用。然后，快速增压油缸760将低压气体腔体790吸收的低压氮气快速压缩到低压储气罐770中，快速增压油缸760推到极限后退回最后位置(此时低压气缸腔体790内压力又恢复到接近真空的状态)，在此过程中单向阀701防止低压储气罐770中的气体再回到低压气缸腔体790中。第二双向增压器780将低压储气罐770中的回收气体继续增压，经过第一双向增压器720后又来到高压储气罐730中，进行后续工件的胀形。如此循环往复。
该超高压气体循环控制模块700解决了现有技术中超高压气压、高温加热设备存在的安全问题。
本发明提供的一种金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺，包括如下的步骤：
1)将金属管工件W经由自动上下料模块送入热气胀成形机内的模具组件200的模具中，在加热工位2B由快速加热模块300的直流电源进行快速加热；
2)加热后的工件W进入热气胀及淬火工位2C，先进行热气胀作业，接着进行淬火作业；3)将工件W通过自动上下料模块从模具中取出。
由于金属钛的机械性能优异，在热态气体胀形时不需要淬火作业，因此在本发明的金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺在处理金属钛时，可以省略所述步骤2)、3)中的淬火和保温作业。
为了避免加热时的工件W被氧化，可以在所述模具组件200的模具中通入氮气、二氧化碳或者惰性气体，对加热中的工件W进行防氧化保护。
模具组件200的模具优选为级进式模具270。
为了达到更好的密封和防氧化效果，把整个模具组件200都设置在由安全防护与密封模块500产生的密封环境中。
可选地，对于某些对淬火后有保温要求的零件，在步骤2)和步骤3)中间还有一个保温步骤，淬火后的工件W进入出料保温工位2D，在中、低温下保温预定时间，从而调节零件的强度和韧性。
优选地，在模具组件200上完成工件W的加热、气胀、快冷强化和保温作业。
淬火作业由快速冷却模块400执行。
密封环境由安全防护与密封模块500提供。
由超高压气体循环控制模块700给所述模具组件200提供高压气体。
值得注意的是，可替代地，本发明工艺中的热态气体胀形可以由热态液体胀形取代，工件W内部充入高压液体，完成工件W的胀形。
本发明还提供了一种封闭式金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺典型流程，包括如下的信息：
1)待处理工件W的目标零件是车身A柱，管坯规格：材料22MnB5(高强钢或高强铝合金等能够淬火强化的材料)、外径50mm、壁厚2mm(或不等厚管)、长度1800mm。
2)将22MnB5无涂层板通过焊接或挤出、拉拔、滚压等方式制成所需规格要求的无涂层板钢管坯料或型钢。无涂层板钢管经切割、去毛刺、清洗等准备工序，进入生产线环节。
3)当目标零件为轴线弯曲的零件时，对钢管首先进行弯曲加工，获得弯管中间工序件，弯曲方式有数控绕弯、推弯、滚弯、压弯等。若上一步制管工序采用滚压方式制管，也可在制管工序采用异形截面弯曲型钢滚压成形工艺，经过焊接进而制成异形截面弯曲轴线的中间工序件。
4)必要时对弯曲中间工序件或直管进行预成形加工，挤压中间工序件使其能够被顺利放入胀形工序的模腔内，并获得较好的材料初始分布状态。
5)设置安全防护与密封仓520的初始状态为纯防氧化正压气体环境(氮气、惰性气体或CO2等)，正压压力推荐1.5-2.0个大气压。
6)过渡入仓首先上料过渡密封气室510结构中的上盖板531打开，此时上盖板531和摆渡上料小车201的小车托板2023都处于上限位，将无涂层板钢管、型钢或预成形后的无涂层板钢管工件W放置在摆渡上料小车201的小车托板2023的型面支架上，上盖板531下行到下限位，上料过渡密封气室510封闭，设备气体循环***从上料过渡密封气室510的一端释放低压氮气到上料过渡密封气室510内，另一端抽出空气，完成气体置换。摆渡上料小车201的小车托板2023由上限位下行至下限位，新进工件(新进入的工件，相对于已经在各加工位的工件而言，简称新进工件)W经由自动上下料模块运送，从上料过渡密封气室510进入热气胀成形机(液压机100)内具有密封环境和安全泄压结构的安全防护与密封仓520内，最终完成过渡入仓动作。
7)摆渡上料上料时，摆渡上料小车201处于外侧限位，上料完成后，摆渡上料小车201在其直线驱动器2021的推动下由外侧限位位置向级进式模具270一侧沿导轨211平移至内侧限位(此时新进工件W上方没有上料过渡密封气室510干涉)。摆渡上料翻转机械手203由其内侧限位沿导轨211移动至外侧限位后，机械手203的旋转驱动器2042驱动旋转机械臂2043由默认竖直位置翻转至外侧，夹紧抓手2044夹紧该新进工件W，然后旋转机械臂2043旋转至竖直位置，至此开模前置上料动作完成。
等到液压机开模后，上模上行至上限位，此时除上料工位2A处的旋转压紧气缸2724外，所有工位上的其它旋转压紧气缸2724迅速进入压紧状态(不然在升降液压缸2723上升时，这些工位上的工件就被顶歪了)，随后进给模块272的升降液压缸2723由合模位升至上限位(此时进给托板273处于上料侧限位处，进给托板273在高度上也处于上限位。【开模后置上料动作】开始，摆渡上料翻转机械手203沿导轨211移至内侧限位位置，旋转机械臂2043翻转至内侧限位，将新进工件W放置在进给托板273上的上料工位2A上，上料工位2A处的旋转压紧气缸2724和可旋转压板2725在下压的同时旋转至压料位置，压紧工件W，机械手203的夹紧抓手2044松开工件W，旋转机械臂2043旋转复位至竖直位置。至此摆渡上料动作完成。
8)多工位级进在完成摆渡上料动作后，此时的进给托板273处于上限位，进给底板271在级进模驱动器2721的驱动下带着进给托板273由上料侧限位向落料侧限位平移，所有工位上的工件都被进给托板273托举并平移向落料侧限位，此时电极压紧气缸和侧推密封油缸281的活塞杆处于回退限位处，侧推密封封头282与进给托板273在竖直和水平方向都不干涉。待进给底板271移动到落料侧限位处后，此时新进工件由上料工位2A进给到加热工位2B的正上方；与此同时，在相同的动作下，加热工位2B上的工件进给至热气胀及淬火工位2C的正上方，热气胀及淬火工位2C上的工件进给至下料保温工位2D的正上方，下料保温工位2D上的工件进给至摆渡下料翻转机械手204的旋转机械臂2043的夹紧抓手2044(此时抓手处于打开状态)的正上方；接着，升降液压缸2723由上限位下降至合模位，然后夹紧抓手2044夹紧工件W，进而，所有工位上的旋转压紧气缸2724由下限位上升至上限位，可旋转压板2725松开工件W，并旋转90°避让开工件两端，然后摆渡下料翻转机械手204的旋转机械臂2043转至竖直位置(此时夹紧抓手2044上正夹着即将下料的工件W)，并沿其导轨211平移至外侧限位，以便液压机下压后避让上模结构，也为随后的下料出仓作准备；升降液压缸2723由合模位下降至下限位，进给托板273跟着下降到下限位，然后进给底板271在级进模驱动器2721的反向驱动下带着进给托板273由落料侧限位向上料侧限位平移，在此平移过程中，处在加热工位2B、热气胀及淬火工位2C和下料保温工位2D上的工件W由于下模的顶托作用，不产生移动，且不与松开工件状态的可旋转压板2725干涉。进给底板271平移到上料侧限位后，升降液压缸2723由下限位提升至合模位，进给托板273同步上升至合模位。至此多工位级进动作完成，所有位置的工件W都完成了一次进给循环。
9)合模加载进给模块272完成多工位级进后，液压机由上限位下压至下限位，并完成合模动作。然后电极压紧气缸和侧推密封油缸281的活塞杆向工件端口运动到密封位置，完成密封和夹持，升降液压缸2723向上加载(位移很小)，使得进给托板273贴紧上模模座(且上模模座不与松开工件状态的可旋转压板2725干涉)，同时充分夹紧每个工序的工件W，该阶段的夹紧力应足以保证气体胀形力最大时进给托板273一直紧贴上模模座和工件端口的密封效果。
合模后，快速加热、热气胀+快冷、保温、下料与上料准备工序同时进行。以下单独介绍各自工艺动作。
10)快速加热液压机合模后，快速加热模块300启动，加热工位2B上的工件W被夹紧并开始被迅速加热。
11)热气胀+快冷液压机合模后，热气胀及淬火工位2C上的工件W两端被侧推密封封头282密封，高压气体通过密封封头282的通气管道进入高温工件W内，将工件W胀形至贴模，然后高温工件W的热量被模具内带冷却水道的上下模镶块(230,260)带走，工件W从700-900℃以大于27K/s的速度冷却至200-300℃，进而实现淬火强化，并保留余温准备开模。
12)保温液压机合模后，工件W在下料保温工位2D开始被保温，调节强度和韧性。
13)下料出仓摆渡下料翻转机械手204将工件W传递给摆渡下料小车202，摆渡下料小车202将工件W传递给下料过渡密封气室530，进而实现与过渡进仓、摆渡上料对称的动作，完成下料出仓，成形后的工件W被机器人或工人转运至后续切割加工工位。
14)上料准备同时，再进行一次过渡进仓和摆渡上料动作的开模前置动作。
15)开模以上快速加热、热气胀+快冷、保温、下料与上料准备动作完成后，液压机开模，侧推密封油缸281和电极压紧气缸退回，【开模后置上料动作】重复开始：级进式模具270的升降液压缸2723向上至上限位，使得进给托板273上升至上限位，旋转压紧气缸2724下行压紧工件。进而开始下一次多工位级进，如此循环往复。
16)热气胀成形机(液压机100)内的级进式模具270中，在加热工位2B由快速加热模块300进行电阻加热，实现快速加热。
17)加热后的工件W进入热气胀+淬火工位2C，先进行热气胀作业，接着进行淬火作业。
18)淬火后的工件W进入出料保温工位，保温预定时间。
19)将保温完毕的工件W由自动上下料模块从密封环境中取出。
以上内容是结合具体的优选方式对本发明所作的说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的演绎和替换，都将视为属于本发明提交的权利要求书所确定的保护范围。

Claims (15)

1.一种金属管材热态气体胀形与快冷强化***，包括液压机(100)、模具组件(200)、快速加热模块(300)和快速冷却模块(400)，其特征在于：所述模具组件(200)、快速加热模块(300)和快速冷却模块(400)都设置在液压机(100)上或液压机(100)周围；所述模具组件(200)包含级进式模具(270)，能够实现工件(W)的热态气体胀形和快速冷却。
2.如权利要求1所述的金属管材热态气体胀形与快冷强化***，其特征在于：所述模具组件(200)包括核心部件和自动上下料模块，自动上下料模块设置在核心部件的两侧，为核心部件提供工件(W)的上料和下料作业；所述核心部件包括下模底板(210)、下模模座(220)、下模镶块(230)、上模顶板(240)、上模模座(250)、上模镶块(260)、级进式模具(270)、侧推密封油缸模块(280)和电极压紧气缸模块(290)，在所述下模底板(210)上依照上下空间顺序依次设置所述下模模座(220)、下模镶块(230)、级进式模具(270)、上模镶块(260)、上模模座(250)和上模顶板(240)，所述级进式模具(270)包含有加热工位(2B)和热气胀及淬火工位(2C)。
3.如权利要求2所述的金属管材热态气体胀形与快冷强化***，其特征在于：所述级进式模具(270)包括进给底板(271)、进给模块(272)和进给托板(273)，所述进给模块(272)驱动所述进给底板(271)左右平移，也驱动所述进给托板(273)进行上下升降运动；所述进给模块(272)包括级进模驱动器(2721)、级进模驱动导向条(2722)、升降液压缸(2723)、旋转压紧气缸(2724)和可旋转压板(2725)，所述进给托板(273)上设置有多个容纳工件(W)端部的模腔(2731)，还设置有多个容纳旋转压紧气缸(2724)的孔槽(2732)。
4.如权利要求1所述的金属管材热态气体胀形与快冷强化***，其特征在于：所述快速冷却模块(400)包括上模进水道(410)、上模环向冷却水道(420)、上模出水道(430)，还包括下模进水道(440)、下模环向冷却水道(450)、下模出水道(460)，所述上模环向冷却水道(420)由上模镶块(260)和模具嵌块(470)之间形成的空隙构成；所述下模环向冷却水道(450)由下模镶块(230)和模具嵌块(470)之间形成的空隙构成。
5.如权利要求1所述的金属管材热态气体胀形与快冷强化***，其特征在于，还包括安全防护与密封模块(500)，所述模具组件(200)的工作区域被设置在安全防护与密封模块(500)形成的正压空间内。
6.如权利要求5所述的金属管材热态气体胀形与快冷强化***，其特征在于：所述安全防护与密封模块(500)包括上料过渡密封气室(510)、安全防护与密封仓(520)、下料过渡密封气室(530)，上料过渡密封气室(510)和下料过渡密封气室(530)设置在安全防护与密封仓(520)的两侧，所述安全防护与密封仓(520)将模具组件(200)包覆在内，形成正压密封环境。
7.如权利要求1所述的金属管材热态气体胀形与快冷强化***，其特征在于，还包括控制***(600)，所述控制***(600)分别控制所述液压机(100)、模具组件(200)、快速加热模块(300)和快速冷却模块(400)的动作。
8.如权利要求1-7任一所述的***，其特征在于：还包括超高压气体循环控制模块(700)，其包括氮气罐组合(710)、第一双向增压器(720)、高压储气罐(730)、充气阀(740)、气体冷却器(750)、快速增压油缸(760)、低压储气罐(770)和第二双向增压器(780)，所述第一双向增压器(720)分别与氮气罐组合(710)、高压储气罐(730)和第二双向增压器(780)相连，所述高压储气罐(730)与充气阀(740)相连；所述气体冷却器(750)与快速增压油缸(760)相连，所述快速增压油缸(760)与低压储气罐(770)相连，所述低压储气罐(770)与第二双向增压器(780)相连。
9.一种金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺，其特征在于包括如下的步骤：
1)将金属管工件(W)经由自动上下料模块送入热气胀成形机内的模具组件(200)的模具中，在加热工位(2B)由快速加热模块(300)的直流电源进行快速加热；
2)加热后的工件(W)进入热气胀及淬火工位(2C)，先进行热气胀作业，接着进行淬火作业；
3)将工件(W)通过自动上下料模块从模具中取出。
10.如权利要求9所述的金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺，其特征在于，当金属为钛时，省略所述步骤2)中的淬火作业。
11.如权利要求9所述的金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺，其特征在于，在所述模具组件(200)的模具中通入氮气、二氧化碳或者惰性气体，对加热中的工件(W)进行防氧化保护。
12.如权利要求11所述的金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺，其特征在于，所述模具组件(200)的模具为级进式模具(270)。
13.如权利要求9所述的金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺，其特征在于，所述模具组件(200)设置在由安全防护与密封模块(500)产生的密封环境中。
14.如权利要求9所述的金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺，其特征在于，所述步骤2)和步骤3)中间还有一个保温步骤，淬火后的工件(W)进入出料保温工位(2D)，保温预定时间。
15.如权利要求9所述的金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺，其特征在于，其热态气体胀形可以由液体胀形取代，工件(W)内部充入高压液体，完成工件(W)的胀形。
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